沿空掘巷小煤柱留设宽度合理确定

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沿空留巷煤柱合理预留宽度研究

2651 前言在多年的开采过程中，众多开采难题制约着发展，其中沿空留巷煤柱留设稳定性是一个较为突出的问题。

沿空留巷是指利用上个采空区的运输巷道或者回风巷道为下个工作面开采提供条件的一种技术，但受到工作面采动影响，此时留巷极易发生垮落变形，留巷煤柱上方覆岩在达到承载极限后会发生断裂，严重影响煤柱稳定性[1-2]，造成巷道报废，严重困扰着煤矿安全生产，所以针对沿空留巷煤柱留设宽度进行研究对于留巷成功与否十分关键[3-4]，此前众多学者对此进行过一定的研究，本文基于前人的研究，对煤柱合理留设宽度进行分析，为矿井安全提升，效益提升做出一定的贡献。

2 矿井概况及数值模拟研究正利矿位于山西省岚县县城东南10km处，井田面积为9.26km 2，设计生产能力1.5Mt/a。

14102综采工作面现开采山西组4#煤层，煤层平均厚度3.5m。

工作面在回采后，此时的煤柱的应力分布情况不仅与巷道掘进和工作面回采支撑压力有关有关，同时其与煤柱宽度有着密切的关系，煤柱与煤柱宽度有关，支撑压力与煤柱宽度存在3种情况：分别为当煤柱宽度较小，此时的支撑压力范围会超过煤柱宽度，此时的煤柱塑性区域增大，由于回采及掘进的影响使得煤柱两侧的支撑压力暴增，煤柱承担载荷较大，随着支撑时间的不断推移，此时由于覆岩和采动双重作用下，此时的煤柱稳定性进一步被破坏，但塑性区域发生贯通时，此时的煤柱无法承担载荷，从而发生失稳破坏，严重威胁着矿井安全。

当煤柱宽度较大时，此时支撑压力影响范围小于煤柱宽度，在巷道回采及掘进双重作用下，此时煤柱两侧的支撑压力值仍会升高，达到支撑压力的峰值，但此时煤柱中间部位仍为弹性区域，煤柱的支撑压力呈现出类似“马鞍”形态，能承担较大荷载，此时巷道稳定性得到有效保障。

当煤柱宽度极大时，此时支撑压力影响范围远小于煤柱压力影响范围，巷道掘进和回采的影响下煤柱两侧的支承压力仍会升高，达到支撑压力峰值时，此时的弹性核区的支撑压力原低于原岩应力。

1-3沿空掘巷窄煤柱宽度确定_张科学

图 2 窄煤柱宽度计算图 Fig.2 Calculation figure of narrow pillar width
并趋于稳定； 35 m 以外区域进入原岩应力区。因此，距上区段采空区 0~7 m 是应力降低区， 7~35 m 是应力增高区，35 m 以外处于原岩应力区。沿空掘巷应布置在应力降低区或原岩应力区，而布置在原岩应力区段煤柱浪费较大，因此沿空掘巷应布置在距上区段采空区 0~7 m 范围。
创造性地提出以
矸石为骨料预筑人造帮置换窄煤柱的二步骤沿空掘巷新技术；张农等 [11] 针对迎采动工作面沿空掘巷，提出预应力组合支护技术。本文从上区段采空区侧向支承应力分布规律和应力场分布、位移场分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系，得出沿空掘巷窄煤柱宽度的确定方法。
整个模型尺寸确定为 160 m×110 m×70 m， +X 方向为工作面的走向方向，+Y 方向为巷道掘进方向，+Z 方向为垂直向上。模型中下界面、前后界面和左右界面进行位移、速度及应力边界约束，上边界施加垂直应力 σz=γH=9.75×106 Pa，模型中水平应力取 σx=σy=σz=9.75×106 Pa。护巷煤柱宽度的确定与沿空巷道支护方式有重要关系[6,11]，模拟的巷道支护采用锚杆支护技术，且巷道支护强度对窄煤柱稳定性具有重要作用；但由于本文以研究窄煤柱
收稿日期：2013-09-12 基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2010CB226801，2010CB226804)；国家自然科学基金项目(51174213)；新世纪优秀人才项目 (NCET-10-0775)；中央高校基本科研业务专项资金项目(2009QM001) 作者简介：张科学(1986—)，男，河南省永城市人，博士，从事煤岩冲击失稳、巷道围岩控制方面的研究。 E-mail：zhkexue@ Tel：13366030731

综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用

煤
炭
工
程
２１００年第７期
综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用
于洋，柏建彪，陈科肖同强，
（．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州１２１１；２Ｉ６２１０）２０８２．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州
摘
要：采用极限平衡理论和数值模拟方法对综采工作面沿空掘巷窄煤窄煤柱与巷道围岩变形量的关系，确定了合理的窄煤柱宽度，并应用于工程
实践。实践结果表明研究确定的窄煤柱宽度合理、技术和经济效益显著，对类似条件下综采工作
ＹＵＹａｇ，Ｂｉｎ—ｂａ，ＣｎＡＩＪａｉｏＨＥＮＫｅ，ＸＩｏｇ—ｑａｇＡＯＴｎｉｎ
（．ｃｏｌｆｎｎｎｉｅｒｇｈｎｎｖｒｉｆｎｎｎｅｈｏｇ，ｚｏ２１６，ｈｎ；１ＳｈｏｏＭｉｉｇＥｇｅｉ，ＣｉａＵｉｓｙｏＭｉｉｇａｄＴｃｎｌｙＸｕｈｕ２１１Ｃｉａｎｎｅｔｏ２ＳａｅＫｙＬｂｏｏｌｅｏｒｅｎａｅｎｎ，ＣｉａＵｉｒｉｆｎｎｎｅｈｏｇ，ｕｈｕ２１０，ｈｎ）．ｔｅａｆａｓｕｃｓｄＳｆｙＭｉｉｇｈｎｎｖｓｙｏｉｇａｄＴｃｎｌｙＸｚｏ２０８ＣｉａｔＣＲａｔｅｔＭｉｏ
Ａｂｔａｔｈｉｔａａｃｈｏｙａｄｎｍｅｉａｓｍｕａｉｎｍｅｈｄｗｒｐｌｄｔｎｌｚｈａｉｎｌｗｄｈｏｅｎｒｏｓｒｃ：Ｔｅｌｌｎｅｔｅｒｎｕｒｃｌｉｌｔｔｏｅｅａｐｉｏａａｙｅｔｅｒｔａｉｔｆｔａｒｗｍｉｂｏｅｏｈｃａｉａｏｈａｅｙｄｉｉｇａｏｇｔｅｇａｆｔｅｆｌｃａｉｅｏｌｍｉｉｇｆｃ．ＡｃｏｄｎＯｔｅｒｌｔｎｈｐｏｌｐｌｒｆｒｔｅｇｔｗａｒｎｌｎｈｏｆｏｈｕｌｍｅｈｎｚｄｃａｎｎａｅｌｖｙｃｒｉｇｔｈｅａｉｓｉｏｂｔｅｈｉｅｅｔｄｈｎｒｏｏｌｐｌｒｎｈｕｒｕｄｎｏｋｄｆｒｔｎｖｌｅｏｅｍｉｅｇｔｗａ，ｔｅｒｔｎｌｅｗｅｎｔｅｄｆｒｎｔａｗｃａｉａｓａｄｔｅｓｒｏｎｉｇｒｃｅｏｍａｉａｕｆｔｎａｅｙｈａｉａｆｗｉｌｏｈｏｉｔｆｔｏｐｌｗａｅｐａｄｗｓａｐｉｏｔｅｅｇｎｅｎｒｃｉｓｈｒｃｉｅｕｔｈｗｄｔａｅｎｒｏｗｄｈｏｅｃａｉａｓｓｔｕｎａｐｌｄｔｈｎｉｅｒｇｐａｔｅ．Ｔｅｐａｔｅｒｓｌｓｓｏｅｈｔｈａｒｗｈｌｌｒｅｉｃｃｔｃａｉａｄｈｓｕｉｄａｄｓｔａａｉｎｎｅｔｃｎｃｌａｄｅｏｏｃｒｓｌｅｅｏｖｏｓｈｒｃｉａｅｕｔｏｌｏｐｌｒｌｌｗｉｔｔｄｅｎｅｓｒｔａａｄｔｅｈｉａｎｃｎｍｉｅｕｔｗｒｂｉｕ．Ｔｅｐａｔｌｒｓｌｃｕｄｗｏｌｈｓｃｓｐｏｉｅｔｅｃｒｉｕｄｎｅｔｅｅｒｔｎｌｄｈｏｅｎｒｏｏｉａｒｔｅｇｔｗａｒｉｇａｏｇｔｅｇａｆｔｅｆｌｒｖｄｅｔｎｇｉａｃｏｓｔｈａｉａｔｆｔａｒｗｃａｐｌｒｏａｅｙｄｉｎｎｏｆｌｈａｔｏｗｉｈｌｌｆｈｖｌｈｏｈｕｙｍｅｈｎｚｄｃａｎｎａｅｕｄｒｔｅｓｌｒｃｎｉｏｓｃａｉｅｏｍｉｉｇｆｃｎｅｈｉａｏｄｔｎ．ｌｍｉｉＫｅｒｓａｅａｒｖｎｏｇｇａ；ｎｒｏｏｌｐｌｒｗｉｔｙｗｏｄ：ｇｔｗｙｄｉｉｇａｎｏｆａｒｗｃａｉａｄｈ；ｎｍｅｃｉｌｔｎｌｌｕｒａｓｉｌｍｕａｉｏ

大结构影响下沿空掘巷巷旁煤柱合理宽度分析

因采空区支撑压力的影响而维护困难的问题。文章对窄煤柱合理的留设宽度展开研究。
图１沿空掘巷巷旁煤柱力学模型
２沿空掘巷巷旁煤柱力学模型分析
工作面回采后，采空区上方基本顶呈规则断
裂下沉，而采空区外侧基本顶会在煤体的弹塑性
２５～４５ＭＰａ时，断裂位置距上区段采空区侧煤壁
形。根据相关理论研究的巷旁煤柱的力学模型，根据巷旁窄煤柱的受力分析，在煤柱上边界给定变
形的情况下，分析煤柱的左右两侧受力分别为ｏｒ。
和ｏｒ，而由于工作面回采后采空区侧向支承压力的影响不同，造成煤柱左右两侧的破碎区宽度有很大的差异，巷道掘进后会对左侧巷帮加强支护，所以一般情况下左侧的支护阻力会比右侧的支护阻力要大，即ｏｒ＞ｒｏ。由此产生的作用在煤柱上的横向作用力可以通过煤柱上下边界的摩擦力来平
能源技术与管理
ＥｎｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１６７２－９９４３．２０１３．０２．０３３
ＫＴＨ＋
．
＿ｏ
体内的塑性区宽度可以达到５～８ｍ。因此可认为在巷道掘进后，煤柱两侧存在着一定宽度的破碎区和塑性区，受下一个工作面采动影响煤柱两侧

五沟煤矿沿空掘巷窄煤柱宽度的合理设计

巷围岩变形规律。模型采用Ｍｏｈｒ — Ｃｏｕｌｕｍｂ材料本
尺寸和锚杆支护条件下，窄煤柱变形主要与以下几个因素有关［２ｊ： ①巷道上覆岩体大结构的运动和稳定性的影响； ②窄煤柱的支护强度； ③窄煤柱
构关系，各岩层物理力学参数如表ｌ所示。考虑边
２７。；为煤层界面粘聚力，取２．３ＭＰａ；ｋ为应力集中系数，取１．８；为岩层平均容重，取２４ｋＮ／ｍ；为巷道埋深，取３６０ｍ；Ｐｘ为对煤帮的支护阻力，因上区段采空区侧采用锚杆支护，取０．１ＭＰａ。
ｔａｎ￣ｐ０。ＡＪ
式中，。为因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区，ｍ；ｘ：为窄煤柱
一
１地质概况
五沟矿１０２３工作面位于南二采区东翼，与１０２１工作面相邻。１０２３工作面平均煤厚３．６ｍ，煤厚变异系数５５％，煤层可采性指数１，１０煤层倾角２。１０。，平均倾角６。。具体位置关系如图１所示。
煤矿１０２３工作面沿空掘巷合理留设窄煤柱宽度进行研究，使１０２３工作面实现了顺利回采。
ｆ【ｋｙＴＨｒｔ＋ — — — — — 一１【
其中ｚｔｍａＡｎ￣￣ｏｉｎＩｆ【＂－－０＂＝ｔａＩｎ，ｑ￣ｏＩｆ
互沟煤矿沿窑掘巷窄燥槿宽度的合理设计
方仕忠，牛孝田，张［摘明，涂磊

综放开采沿空掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究

ｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇｂｙｆｕｌｌｙ——ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｔｏｐｃｏａｌｃａｖｉｎｇ
ＺＨＡＮＧＰｅｎｇｐｅｎｇ。一ＨＡＯＢｉｎｇｙｕａｎ，ＷＡＮＧＫａｉ，ＨＵＡＮＧＸｉａｏｐｅｎｇ，ＹＡＮＳｈｕｐｅｎｇ，ＷＥＩＪｕａｎ，
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌ￣ｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＺｈｏｎｇｘｉｎｇＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ，ＦｅｎｘｉＭｉｎｉｎｇｌｎｄｕｓｔｕＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉａｏｃｈｅｎｇ０３０５００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ‘ＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｇｑｕａｎ０４５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｗｉｄｔｈｏｆｓｍａｌｌｃｏａｌｐｉｌｌａｒａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｍｅｔｈｏｄｏｆｇｏｂ—ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇ，ｔａｋｉｎｇＮｏ．８４０７ｗｏｒｋｉｎｇ
（１．太原理工大学矿业工程学院，山西太原０３００２４；２．汾西矿业集团有限责任公司中兴煤业公司，山西交城０３０５００３．山西工程技术学院矿业工程系，山西阳泉０４５０００）
摘要：为合理确定区段小煤柱宽度及沿空巷道支护方式，以阳泉五矿８４０７综放工作面为例，基于采空侧基本顶断裂力学模型及围岩极限平衡理论，理论计算了合理煤柱宽度的上下限值，采用钻孔应力监测方法，对回采过程中煤柱内部应力分布进行了实测，进而确定沿空巷道支护参数。研究结果表明：沿空掘巷小煤柱宽度合理范围为９．０３～ｌ１．８０１ＴＩ，取１０ｌｒｌ为宜，煤柱侧０～３ｎｌ范围煤体发生塑形破坏、３～６Ｉｎ范围为弹性核区、６～１０ｉｎ范围靠近８４０９采空区承载能力弱，因而在８４０７回风巷掘巷期间采用锚杆＋长短锚索一次支护，回采期间对煤柱帮进行３ｉｎ钻孔注浆加固二次支护，现场实测数据显示，８４０７回风巷沿空掘进期间围岩变形量较小，回采期间顶板、注浆加固煤柱帮、实体煤帮最大变形量分别为０．２０、０．０５、１．Ｏ０ｉｎ，围岩变形处于可控范围，实现了综放工作面安全高效回采。关键词：综放沿空掘巷；小煤柱宽度；煤柱应力监测；注浆加固中图分类号：ＴＤ３５３文献标志码：Ａ文章编号：０２５３—２３３６（２０１８）０５—００４０—０７Ｓｔｕｄｙｏｎｗｉｄｔｈｄｅｓｉｇｎｏｆｓｍａｌｌｃｏａｌｐｉｌｌａｒａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｇｏｂ——ｓｉｄｅ

沿空掘巷小煤柱合理留设及锚注支护优化研究

沿空掘巷小煤柱合理留设及锚注支护优化研究随着煤矿深度的不断增加和矿井开采的进一步，小煤柱的合理留设和锚注支护变得越来越重要。

小煤柱的合理留设对于矿井的安全生产和资源利用具有重要意义，而锚注支护的优化研究则可以提高煤矿开采效率和减少安全事故的发生。

本文将从沿空掘巷小煤柱合理留设和锚注支护优化研究的角度进行深入探讨，为煤矿生产提供技术支持和理论指导。

一、沿空掘巷小煤柱合理留设沿空掘巷是煤矿开采的重要方式之一，对于沿空掘巷小煤柱的合理留设，需要考虑以下几个方面的因素：1. 煤层岩性和构造特征：不同煤层的岩性和构造特征不同，对于小煤柱的留设会有不同的影响。

在进行沿空掘巷小煤柱留设时，需要充分了解煤层的岩性和构造特征，做好合理的留设规划。

2. 煤柱的稳定性分析：对于沿空掘巷小煤柱的合理留设，需要进行煤柱的稳定性分析，确定小煤柱留设的合理宽度和间距，以保证矿井的安全开采。

3. 煤层厚度和深度：煤层的厚度和深度也是影响小煤柱留设的重要因素，需要根据不同的煤层情况进行合理的留设规划。

4. 矿井开采方式：不同的矿井开采方式对沿空掘巷小煤柱的留设也会产生影响，需要根据具体的开采方式进行合理的规划。

沿空掘巷小煤柱的合理留设需要全面考虑煤层的岩性和构造特征、煤柱的稳定性分析、煤层厚度和深度以及矿井开采方式等因素，以保证矿井的安全开采和资源的有效利用。

二、锚注支护优化研究锚注支护是煤矿开采过程中常用的支护方式，对于锚注支护的优化研究，可以提高煤矿的开采效率和减少安全事故的发生。

在进行锚注支护优化研究时，需要考虑以下几个方面的因素：1. 锚杆的选取：对于不同的矿井条件和支护要求，需要选取合适的锚杆进行支护，包括锚杆的材质、规格和长度等方面的选择。

2. 锚杆的预应力设计：针对矿井实际情况，进行锚杆的预应力设计，提高锚杆的承载能力和支护效果，减少煤矿开采过程中的安全隐患。

3. 锚杆的布置方式：在进行锚注支护时，需要考虑锚杆的布置方式，包括锚杆的数量、间距和布置位置等方面，以提高支护的效果和减少材料的浪费。

沿空掘巷窄煤柱留设宽度工程设计与实践

ｔ：一基兰萋
誊
二ｊ
图１１３０３工作面采掘工程平面
（１３０３工作面切眼及胶带顺槽掘进结束），南部为实体煤
层，１３０３工作面采掘工程布置见图１。１．２煤层赋存特征及顶底板情况
柱的宽度。关键词：沿空掘巷；窄煤柱；数值模拟；宽度设计
中图分类号：ＴＤ６２３．１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１ＯＯ６ —２５７２（２Ｏ１３）Ｏ１一Ｏ１Ｏ５一Ｏ３
Hale Waihona Puke ＤｅｓｉｇｎａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅｏｎＲｅｓｅｒｖｅ－ｗｉｄｔｈＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＮａｒｒｏｗＣｏａｌＰｉｌｌａｒｉｎＧｏｂ－ｓｉｄｅＥｎｔｒｙＤｒｉｖｉｎｇ
ＬｉｕＨｕｉｚｈａｎ，ＬｉＸｉａｎｇ，ＺｈａｎｇＮｉｎｇ（ＧｕｏｔｕｎＣｏｌｌｉｅｒｙ，ＨｅｚｅＣｏａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．ｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＬｕｎｅｎｇＧｒｏｕｐ，Ｙｕｎｃｈｅｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２７４７００）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｎａｒｒｏｗｃｏａｌｐｉｌｌａｒｗｉｄｔｈｉｎｇｏｂ— ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｉｏｏｆｃｏａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｂｕｔａｌｓｏｒｅｄｕｃｅｒｏａｄｗａｙｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｒｏａｄｗａｙｍａｉｎ — ｔｅｎａｎｃｅｓｔａｔｕｓ．Ｔｈｅｎａｒｒｏｗｃｏａｌｐｉｌｌａｒｗｉｄｔｈｉｎｇｏｂ— ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇｏｎ１３０３ｆａｃｅｏｆＧｕｏｔｕｎＣｏｌｌｉｅｒｙｉｓｆｉｎａｌｌｙｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｆｏｒｎａｒｒｏｗｃｏａｌｐｉｌｌａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｏｂ— ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇ；ｎａｒｒｏｗｃｏａｌｐｉｌｌａｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｗｉｄｔｈｄｅｓｉｇｎ

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沿空掘巷小煤柱留设宽度合理确定发表时间：2018-10-23T11:44:10.843Z 来源：《基层建设》2018年第27期作者：李刚[导读] 摘要：为了提高煤炭回采率和提高矿井安全高效生产，以某矿10#煤组1012首采工作面为研究对象，采用UDEC对不同煤柱宽度下的顶板移进量和底板的变形量进行分析，并结合现场实测的数据对巷道掘进时期和回采时期的顶板下沉量、底板位移量、实体煤帮移进量进行了分析，通过数据对比得出10#煤组1012首采工作面沿空掘巷小煤柱留设的合理宽度。

淮北矿业股份有限公司童亭煤矿生产技术管理部安徽淮北 235137摘要：为了提高煤炭回采率和提高矿井安全高效生产，以某矿10#煤组1012首采工作面为研究对象，采用UDEC对不同煤柱宽度下的顶板移进量和底板的变形量进行分析，并结合现场实测的数据对巷道掘进时期和回采时期的顶板下沉量、底板位移量、实体煤帮移进量进行了分析，通过数据对比得出10#煤组1012首采工作面沿空掘巷小煤柱留设的合理宽度。

研究表明：工作面小煤柱合理宽度为5m。

该研究结果对类似煤层开采条件下的区段煤柱宽度合理留设具有重要参考意义。

关键词：沿空掘巷；小煤柱；数值计算；巷道围岩0前言沿空掘巷是我国煤矿回采巷道布置和维护的一种技术，其目的是为了将巷道与采空区隔离[1-3]。

把巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场，便于巷道维护，减少变形量[4]。

其中关键是严格控制煤柱宽度。

煤柱宽度对巷道的维护状况起决定作用，若煤柱过小，由于靠采空侧的煤柱受支承力的影响已呈塑形，容易失稳，片帮严重，若煤柱过大，则回采巷道布置在压力增高区内，将使巷道压力大，支护困难[5-7]。

王卫军等[8]得出基本顶给定变形下综放沿空掘巷合理窄煤柱宽度的计算公式；王德超等[9]通过采空区侧向支承压力影响范围确定区段煤柱合理留设宽度；张科学等[10]通过分析垂直应力场呈现三角形的形状确定出沿空掘巷窄煤柱留设宽度。

本文通过对10#煤组1012工作面回风沿空掘巷的数值模拟分析了不同煤柱宽度下的顶板位移和底鼓变形，并结合实测数据分析掘进和回采时期的顶板位移、底鼓变形和实体煤帮的变化，得出了本矿井地质条件下的沿空掘巷小煤柱留设宽度的合理性。

1工程概况1012工作面井下标高-400m，其地面标高+27.13m，巷道标高-373.4--425.3m。

西邻皮带大巷，东面古河床冲刷无煤带。

工作面走向长1530m-1620m，平均1575m；倾斜宽164m-166m，平均165m。

煤厚1.0-4.7m，平均在3.6m左右。

该面煤层倾角为4°-10°，平均6°左右，该面内煤层结构简单，但局部含一层夹矸，顶板岩性多为灰色粉砂岩，局部含一层灰黑色泥岩伪顶，底板多为粉砂岩和泥岩。

该面整体东西低，中间高，呈背斜构造，断层走向多与机、风巷斜交,受背斜及构造影响，煤层倾角起伏可能较大，对正常回采将造成一定的影响。

工作面布置图2煤柱宽度确定原则煤柱是围岩结构的一个重要组成部分，其稳定性决定巷道的稳定性和煤矿开采中安全问题。

煤柱宽度应满足以下几个原则：①巷道处于应力降低区。

采空区侧向支承压力分为应力降低区、应力升高区和原岩应力区，当巷道位于应力降低区时，煤柱及巷道的稳定性均较好，所以应将巷道布置在应力降低区[11]。

②煤柱内部有稳定的区域。

由于受上区段工作面侧向支承压力作用和巷道掘进影响，煤柱两侧出现破碎区不可避免，如果煤柱均为破碎区，其承载能力和稳定性较小，那么就应该只当增加煤柱的宽度，并做好支护工作[12]。

③有利于巷道围岩稳定。

煤柱过窄，不但煤柱破碎、实体煤帮也破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小[13]。

测量数据表明，煤柱较小时，随煤柱宽度增大，巷道围岩变形量减小，煤柱宽度达到一定值后，随煤柱宽度增大，巷道变形量增加；因此，并不是煤柱越小围岩越稳定，煤柱宽度有一个合理的值。

④采出率高。

煤柱越小，采出率越大，在满足巷道围岩稳定的前提下，尽可能减小煤柱宽度。

3数值模拟3.1数值模型建立为了探索出既利于安全生产又能尽量减少煤炭的损失的煤柱宽度。

以10#煤组1012首采工作面建立数值模型，根据现场观测数据和相关地质资料建立UDEC顶板和底板数值模拟模型。

根据研究内容计算得出所需建立模型的大小，模型的高度为100m，长度为150m。

此模型模拟采深400m。

为了便于研究，我们将上部的载荷看做均布载荷，上部的边界条件为应力边界条件。

下部边界条件简化为位移边界条件。

边界条件：地下巷道简化为平面应变问题，边界上作用有铅直原岩应力P0和水平原岩应力λP0；模型下边界位移全约束，岩体取二维平面应变元；对模型内部各岩层计算时考虑重力，屈服准则选用摩尔库仑准则。

3.2煤柱宽度对顶板的影响从煤柱的位移场分布特征来看，煤柱宽度影响巷道围岩位移场分布，煤柱对巷道围岩变形的作用随煤柱宽度的变化而变化。

掘进时期：巷道顶板下沉量随煤柱宽度增大不明显。

顶板下沉量从总体看煤柱侧大于煤体侧。

2m时煤柱侧顶板下沉量为64.7mm，3m 时煤柱侧顶板下沉量为57.7mm，5m时煤柱侧顶板下沉量为29.3mm，7m时为32.6mm，10m时煤柱侧顶板下沉量为36.7mm，15m时37.5mm。

图中可以看出2m和3m煤柱巷道顶板下沉量较大，5m和7m时巷道顶板下沉量比较小，5m时顶板下沉量最小。

回采时期：巷道顶板下沉量2m时达最大，煤柱侧其值为389.2mm；煤柱宽度5m时最小，其值分别为333mm、煤柱宽度7m比煤柱宽度5m时顶板位移量稍大些，其值为339.7mm，然后随煤柱宽度增大而增大，然后趋于稳定,煤柱宽度10m时顶板位移量为370.3mm，煤柱宽度15m时顶板位移量为376.2mm。

3.3煤柱宽度对底鼓的影响掘进时期：巷道下不同煤柱宽度底鼓量相差不是太大，仅24cm左右；从图中可以看出：煤柱宽度为5m时底鼓的位移量最小，煤柱宽度为3m时底鼓位移最大，煤柱宽度为2m、7m、10m和15m时，虽然都有变化，但变化相差很小。

在巷道中间位置底鼓位移量最大，煤柱宽度2m、5m、7m、10m、15m时，其值分别为195.1mm、191.2mm、215.3mm、198.3mm、186.9mm。

回采时期：巷道煤柱侧底鼓量大于煤体侧底鼓量，巷道底鼓量随煤柱宽度增大先减小后增大。

煤柱宽度2m时巷道煤柱侧底鼓量为423mm，煤柱宽度3m时煤柱侧底鼓量为351mm，煤柱宽度5m时煤柱侧底鼓量较大时底鼓量为115mm，煤柱宽度7m时巷道煤柱侧底鼓量为113mm,煤柱宽度10m时巷道煤柱侧底鼓量为34mm，煤柱宽度15m时巷道煤柱侧底鼓量为28mm。

与掘进时期相似的时，巷道中间位置底鼓位移明显比较大，回采时期煤柱宽度2m、3m、5m、7m、10m、15m时，巷道底鼓位移量分别为686mm、702mm、662mm、650mm、705mm、702mm。

通过数值模拟结果分析：在掘进过程中，对于这种现象的解释是煤柱较小时由于受到二次采动的影响早已破碎，回采时由于超前支承压力和侧向固定支承压力的叠加作用使已经破碎的煤柱不在具有支承的能力，而上覆岩层关键块在侧向和后方回转力距的共同作用下其下沉量较大。

从图中数据可以看出并非煤柱越宽巷道顶板下沉量越小，当煤柱宽度为5m时为最佳煤柱留设宽度。

煤柱宽度2m和3m时，由于宽度较小受采动影响，煤柱破碎，煤柱侧底板已相对抬起。

3.4现场矿压观测及分析1）巷道掘进时期影响时间大约26天，围岩变形稳定所需时间较短，在其期间顶板的最大下沉量为35.4mm，顶板下沉速度最快5mm/d，最慢为0.3mm/d；平均下沉速度为2.1mm/d；底鼓量的最大值为32.1mm，底鼓的速度最大为4.8mm/d，最小值为0mm/d，平均为1.5mm/d；实体煤柱帮移进量为56mm，实体煤帮的移进速度最大为7.6mm/d；在掘进后的第16d，对底板进行清理，采用硬化方式（硬化厚度200mm）这样能使巷道底鼓控制在合理的范围。

2）在巷道掘进后的一段时间后，道处于稳定时期，此时顶板的最大下沉量为36.5mm，顶板最大下沉速率为0.3mm/d，最小的下沉量为0mm；最大底鼓量为32mm；两帮的围岩移进量大于顶底板之间的移进量，并且，煤柱帮的移进速度大于实体煤帮的移进速度，这是因为煤柱内的围岩应力对其的巷道产生一定的影响，但是整体上对围岩的影响并不是太大，围岩变形也不是太严重，范围也不是太大。

此时表明所留设的煤柱是安全可行合理的。

4.结论（1）无论是掘进还是回采期间，煤柱宽度对巷道顶板下沉量都会产生影响，而且煤柱宽度对巷道顶底位移量影响较大。

但通过模拟可以看出，并不是煤柱越宽，顶板下沉量越少，而是在一定范围内煤柱增宽能减少顶板下沉量，随着煤柱变宽，顶板下沉反而有增大趋势。

（2）数值模拟结果得出：掘进期间煤柱宽度3m时巷道有稍量底鼓量。

回采期间巷道煤柱宽度较小时，由于煤柱已破碎不具有支承能力，巷道跨度相对加大，底板在水平力的作用下底鼓量大；煤柱宽度5m时，底鼓量较小。

巷道煤柱侧底鼓量大于煤体侧底鼓量；煤柱宽度大于10m后软煤巷道底鼓量煤体侧大于煤柱侧。

回采期间2m和3m宽度煤柱顶底板下沉量比较大，10m和15m煤柱的顶板下沉量稍小些，5m和7m顶板下沉量相对于前者更小，可以看出合理的煤柱宽度反而比较宽的煤柱控制顶板下沉效果更好。

（3）现场监测表明了，所留设5m煤柱宽度是合理的，巷道掘进时期顶底板最大移进量35.4mm，实体煤帮移进量55mm。

留设5m煤柱巷道变形量较小。

合理的煤柱宽度不但保证煤体自身的稳定性，而且使巷道围岩变形量有效控制，对顶板和底鼓的维护及防治减少困难。

有利于巷道稳定，能保证矿井安全生产高效进行，也有重要的工程和经济意义。

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